ネットワークの基本とTCP/IPの概要

この記事では、ネットワークの基本的な用語について説明し、現在のネットワーク技術で主に使われているプロトコルであるTCP/IPなどについて解説します。

ネットワークの構成とプトロコル

CCNAでは、ネットワークに関する知識を問われます。この記事では、まず前提となるネットワークやプロトコルと言った技術や用語について解説します。

ネットワークの構成要素

ネットワークを構成する要素をノードと言います。PCやルータなどがノードに該当します。

ノードとノードを結んでいる状態を「リンク」、リンク上のデータの流れを「フロー」と呼びます。

ネットワーク上を流れる情報やデータの量のことを「トラフィック」とよびます。

ネットワークの種類（LANとWAN）

ネットワークは使用するネットワークの範囲によって大きく「LAN」「WAN」「インターネットに分類されます。

LAN（Local Area Network）

家庭内、企業のオフィス内、ビルの建物内など、1つの建物や施設内といった程度の範囲で利用されるネットワークのことを「LAN（Local Area Network）」と呼びます。

LAN内のネットワークは、LANを管理しているエンジニアや社員などが自由にメンテナンスを行うことができます。

WAN（Wide Area Network）

WAN（Wide Area Network）は、本社と支社などといった物理的に離れている複数のLAN同士を接続しているネットワークのことです。WANは、通常同じ組織が管理しているLANを接続する目的で使用します。LANは利用している会社のエンジニアや社員などがメンテナンス等の管理を行いますが、WANは通信事業者が提供するWANサービスを利用して接続を行います。

インターネット（Internet）

インターネット（Internet）は、世界中のネットワークが相互に接続されている地球規模の巨大なネットワークのことです。

インターネットは、家庭や企業のLANなどから「インターネットサービスプロバイダ（ISP）」を介して接続を行います。

インターネットは、広義ではWANの一種として扱われます。

ネットワークトポロジ

ネットワークトポロジは、どのように端末やネットワーク機器をネットワークに接続しているかを表す接続形態のことです。ネットワークトポロジは単にトポロジと呼ぶこともあります。

バス型

期間となるケーブルに各ノードを接続する接続形態です。バスに障害が発生するとノード間の通信ができなくなるという特徴があります。

リング型

リング型は隣接しているノードを炎上に接続する接続形態です。1箇所で障害が発生すると全体に影響が及ぶことがあります。

スター型

スイッチやハブなどの周旋装置に各ノードを接続する接続形態です。

LANではこのトポロジが主に用いられます。

メッシュ型

ノード間をそれぞれ接続するトポロジ（接続形態）がメッシュ型トポロジです。すべてのノードがお互いに接続しているトポロジのことをフルメッシュといい、部分的にメッシュとなっているトポロジをパーシャルメッシュ（部分メッシュ）といいます。

通信の方式

通信を行う際には、宛先の数や指定方法によってユニキャスト、ブロードキャスト、マルチキャストの３方式があります。

ユニキャスト

ユニキャストは、1台の送信元から特定の1台の宛先にデータを送信する通信方式です。Webサイトの閲覧やSSH接続など、一般的なネットワーク通信で広く使用されています。

ユニキャストは1対1の通信のことを指します。

ブロードキャスト

ブロードキャストは、1台の送信元から同じブロードキャストドメイン内のすべての機器にデータを送信する通信方式です。IPv4のARP要求などで使用されます。

ブロードキャストは1対多数の通信のことを指します。

マルチキャスト

マルチキャストは、1台の送信元から特定のグループに所属する複数の機器にデータを送信する通信方式です。必要な機器だけにデータを配信できるため、ネットワーク帯域を効率的に利用できます。

マルチキャストは、1対グループの通信のことを指します。

プロトコル

ネットワークの通信の規則について定めたものが「通信プロコトル」です。「プロトコル」は「規約」などを意味します。

OSI参照モデル

OSI参照モデルは、通信を行うための機能を7つの階層に分けたネットワークの通信機能の定義のやり方（モデル）です。

レイヤ	階層	役割
7	アプリケーション層	Webブラウザやメールなど、アプリケーションが通信するための機能を提供する。
6	プレゼンテーション層	文字コードやデータ形式の変換、暗号化、圧縮などを行う。
5	セッション層	通信の開始から終了までの接続状態（セッション）を管理する。
4	トランスポート層	データを確実かつ適切に届けるため、通信の信頼性や転送速度などを制御する。
3	ネットワーク層	IPアドレスを使用して、異なるネットワーク間の通信経路を決定する。
2	データリンク層	MACアドレスを使用して、同じネットワーク内の機器間でデータを転送する。
1	物理層	LANケーブルや光ファイバーなどの物理的な伝送媒体を通じて、電気信号や光信号でデータを送受信する。

OSI参照モデルを用いるメリット

OSI参照モデルは、通信機能を階層化することで、次のようなメリットを得られます。

• ネットワークの設計者やアプリケーションの開発者が各機能の役割を理解しやすくする
• 標準化されているため、異なるベンダー間での製品やプロトコルを組み合わせて設計構築が可能
• 階層ごとに独立性があり、プログラムの開発や改修が容易になる
• 階層ごとでネットワークのトラブルシューティングができる

カプセル化と非カプセル化

カプセル化（Encapsulation）とは、ネットワークでデータを送信する際に、OSI参照モデルの上位層から下位層へデータを渡しながら、各層で必要な制御情報（ヘッダーやトレーラー）を付加していく処理です。これにより、宛先IPアドレスやMACアドレスなどの情報が付加され、ネットワーク上でデータを正しく転送できるようになります。

非カプセル化（Decapsulation）とは、受信側でカプセル化されたデータを下位層から上位層へ渡しながら、各層のヘッダーやトレーラーを確認・除去していく処理です。最終的に元のデータが取り出され、アプリケーションに渡されます。

つまり、送信側ではカプセル化、受信側では非カプセル化が行われます。

TCP/IPモデル

TCP/IPは、現在のインターネットで広く利用されている通信プロトコル群の総称です。名称は、代表的なプロトコルであるTCP（Transmission Control Protocol）とIP（Internet Protocol）に由来しており、これらを中心とした複数のプロトコルによってネットワーク通信を実現しています。

OSI参照モデルとTCP/IPモデルの階層を比較すると以下の図のようになります。

OSI階層	OSI参照モデル	PDU	TCP/IPモデル
第7層	アプリケーション層		アプリケーション層
第6層	プレゼンテーション層
第5層	セッション層
第4層	トランスポート層	セグメント	トランスポート層
第3層	ネットワーク層	パケット	インターネット層
第2層	データリンク層	フレーム	ネットワークインターフェース層（リンク層）
第1層	物理層

PDUとペイロード

各層で扱う通信データの単位をPDU（Protocol Data Unit）と呼びます。

PDUの呼び方は各層によって異なります。PDUの名称とレイヤは以下の通りです。

• セグメントもしくはデータグラム・・・レイヤ4で扱うPDU
• パケット・・・レイヤ3で扱うPDU
• フレーム・・・レイヤ2で扱うPDU

各層で扱うPDUからその層のヘッダを除いた部分をペイロードと呼びます。

TCPとUDP

TCPはTransmission Control Protocolの頭文字です。UDPはUser Data Protocolの頭文字です。それぞれの特徴と違いを押さえておきましょう。

TCPとUDPは、OSI参照モデルのトランスポート層（レイヤ4）で使用される通信プロトコルです。どちらもポート番号を使用して通信先のアプリケーションを識別しますが、通信方式や特徴が異なります。

TCP（Transmission Control Protocol）は、通信相手との接続を確立してからデータを送受信するコネクション型のプロトコルです。データの到達確認や再送制御、順序制御などの機能を備えており、信頼性の高い通信を実現します。

UDP（User Datagram Protocol）は、通信相手との接続を確立せずにデータを送受信するコネクションレス型のプロトコルです。TCPのような到達確認や再送制御を行わないため、処理が比較的軽く、リアルタイム性が求められる通信に適しています。

比較項目	TCP	UDP
通信方式	コネクション型	コネクションレス型
信頼性	高い	到達保証なし
データの再送制御	あり	なし
データの順序制御	あり	なし
通信速度	制御による負荷がある	比較的低負荷
主な用途	Web通信、メール、ファイル転送	DNS、音声通話、オンラインゲーム
PDU	セグメント	データグラム

CCNAでは、TCPは信頼性を重視し、UDPは低遅延・低負荷を重視するという違いを理解しておくことが重要です。